Habilitation à Diriger des Recherches

Imagerie dynamique et simulations Monte-Carlo pour la radiothérapie guidée par l'image
David Sarrut

Résumé : Ce document est une synthèse de mes activités de recherche en imagerie dynamique et en simulations Monte-Carlo menées durant la période 2000-2007. Le contexte applicatif est l'aide à la planification et au traitement du cancer par radiothérapie, en particulier dans des organes en mouvement. Le terme imagerie dynamique recouvre des méthodes de d'acquisition, de traitement et d'analyse d'images prenant explicitement en compte de la dimension temporelle. Nous présentons ainsi nos contributions à l'acquisition d'images tomodensitométriques 4D, l'estimation par recalage déformable des mouvements et des déformations dus à la respiration, ainsi qu'a des algorithmes de reconstruction compensée en mouvement. Cette dimension temporelle est à l'origine de la mise au point d'algorithmes spécifiques, en particulier nécessitant de manipuler des volumes importants de données et de recourir à des architectures de calcul intensif. Les simulations basées sur la méthode de Monte-Carlo permettent de modéliser précisément les interactions rayonnement-matière se produisant lors de l'acquisition d'une image ou lors d'une irradiation thérapeutique. Pour la simulation réaliste du suivi des particules dans un milieu complexe tel que le corps humain, nous avons choisi une représentation discrète du milieu, qui présente notamment l'avantage de réduire les temps de calcul. Ces simulations sont développées dans le cadre du calcul de la distribution du dépôt de dose au sein d'un patient, en radiothérapie classique par faisceau de photons mais également pour l'hadronthérapie par proton ou ions carbone. La démarche adoptée est multi-disciplinaire et entre dans le cadre de la radiothérapie guidée par l'image dont l'objectif est d'exploiter de façon optimale l'ensemble des données et images disponibles afin d'améliorer l'efficacité de cette modalité de traitement du cancer.